数码相机时间参数检测装置研发

谭山 黄锋

数码相机时间参数检测装置研发

谭山 黄锋

（广州计量检测技术研究院）

介绍一种数码相机时间参数检测装置及检测功能实现方法，通过数字电路、图像模式识别技术实现自动测量。该装置由频率信号单元、频率显示单元、位选信号单元、多位LED驱动显示单元、点亮信号单元和上位机控制系统组成，可完成快门速度、拍摄时滞、快门时滞和拍摄速度等参数的检测。

数码相机；时间参数；检测装置

0 引言

数码相机是利用光电传感元件将光学图像转换成电子数据的照相机，作为常用的图像记录工具，在日常生活、新闻采集和科学研究等方面应用广泛。数码相机拍照时，需要光圈和快门快速配合才能获得一张曝光准确的照片。如果曝光不准确，照片成像质量会变差甚至看不清。在某些情况下（如高速运动），为获得成像清晰的照片，需选择特定的快门速度。时间参数作为相机的重要参数，是相机产品的质量指标之一。虽然我国先后出台了数码相机相关国家标准[1]和行业标准，但数码照相机时间参数（如快门速度）的检测至今仍没有统一的测试方法。

本文研发数码相机时间参数检测装置，介绍其结构及关键单元，可完成快门速度、拍摄时滞、快门时滞和拍摄速度等参数的检测。

1 装置的基本原理

数码相机没有胶卷，无法像传统胶片相机一样在相机胶片位置安装光电传感器检测相机快门速度。数码相机时间参数检测装置通过拍摄已知移动速度的物体来检测其快门速度。因此，获取已知移动速度的物体为该装置的核心。本装置以LED灯组作为被拍摄物体，并假设LED灯以扫描频率(Hz)逐个点亮，当数码相机成像相片中有个LED灯亮时，则数码相机的快门速度为/。

考虑到检测工作的便利性，在检测过程尽量不要频繁调节数码相机的光圈参数。本装置设计LED灯无论以何频率频闪时，每次频闪的持续时间均相同，即产生一个扫描频率可调，但有效时间固定、且不随扫描频率变化而变化的LED灯点亮信号。

2 装置结构及关键单元

数码相机时间参数检测装置结构如图1所示，由频率信号单元、频率显示单元、位选信号单元、多位LED驱动显示单元、点亮信号单元和上位机控制系统组成。

图1 数码相机时间参数检测装置结构图

频率信号单元产生LED灯的扫描频率，该频率可根据相机的不同快门速度进行调节。

频率显示单元在拍摄图像过程显示扫描频率，便于图像识别后获得读数。

位选信号单元控制LED灯逐颗点亮。

多位LED驱动显示单元驱动每颗LED灯点亮。

点亮信号单元产生LED灯点亮时间0=1/f（f为LED灯点亮频率），0不随扫描频率变化而变化。

该装置技术参数的设计原则：为满足数码相机快门速度1%的产品指标要求，该检测装置的测量准确性设计为0.2%，即每张拍摄相片应至少有500颗点亮的LED灯；考虑被测相机快门速度的误差容错，设计装置LED数量为600颗。综合考虑数字电路IC的响应速度，设计最高扫描频率为8 MHz。

2.1 点亮信号单元

点亮信号单元是数码相机时间参数检测装置的关键部件。本文采用晶振通过数字电路产生点亮信号，点亮信号单元电路及信号时序图如图2所示。

通过数字电路产生一个扫描频率可调，但不随扫描频率变化而变化的LED灯点亮信号（图2中的OUT信号）。该信号可通过D触发器实现：D触发器时钟连接扫描频率信号，触发信号连接点亮信号频率f，同时复位也连接点亮信号频率f；当和f同步后，在D触发器时钟上升并保持高电平时，D触发器输出信号与触发信号同步，同时D触发器被触发信号复位，因此在一个触发器时钟周期内，只在第一个触发信号周期内输出为高电平。上述电路及工作方式实现扫描频率改变时，通过D触发器得到的信号高电平时间0不发生变化。扫描频率和有效点亮时间0由晶振通过多级分频器产生。

2.2 多位LED驱动显示单元

多位LED驱动显示单元采用ULN2003A芯片作为LED驱动器件。ULN2003A是高压大电流达林顿晶体管阵列，输出电流可达0.5 A。将移位位选信号接ULN2003A芯片控制端即可实现逐个点亮每颗LED灯，将点亮信号单元输出作为LED灯的供电电源，即可控制LED灯的点亮时间。

2.3 位选信号单元

位选信号单元由74LS164移位寄存器和74LS174六D触发器产生移位位选信号。74LS164移位寄存器的时钟连接扫描频率信号，输入连接高电平。将74LS164移位寄存器的移位信号Q1、Q2通过异或门产生单一脉冲，该单一脉冲通过多个74LS174六D触发器串接，每一个74LS174六D触发器的输出即为移位位选信号。

2.4 频率显示单元

频率显示单元将本装置设置的扫描频率，按约定的二进制数在专用频率显示LED灯中显示。本文约定扫描频率的二进制数为：8 MHz对应00000， 4 MHz对应00001，……，0.00745058 Hz对应11110，0.00372529 Hz对应11111。该频率显示单位用于相机快门速度1/16000 s～30 s及B门最长37 h的检测。

3 时间参数检测功能实现

数码相机时间参数包括快门速度、拍摄时滞、快门时滞和拍摄速度。快门速度指快门打开的时间，即曝光时间；拍摄时滞指从按下拍摄键（按下状态而非半按状态下停留）到开始曝光的时间；快门时滞指完成测光、对焦等一系列自动操作后，按下拍摄键到开始曝光的时间；拍摄速度指在连拍模式下的拍摄间隔。

3.1 快门速度检测

开启数码相机时间参数检测装置；LED灯按设定的扫描频率不断逐个闪亮；观察相机成像中LED灯亮点的个数，即可按1=/获得快门速度。

3.2 拍摄时滞检测

拍摄时滞检测需借助压感触发器触发检测装置从第1个LED灯开始逐个闪亮；观察相机成像中第1个亮点的LED灯位置；找出该LED灯的位置距离检测装置的第1个LED灯的个数，即有(−1)个LED灯由于拍摄时滞而没有在相机中成像，由2=(−1)/获得拍摄时滞。

为防止按动快门时产生抖动而造成误触发，本装置设计动作控制单元。该单元采用2个LTC6993-1器件，1个用于产生1 ms的脉冲触发信号，另一个用于产生5 s的自锁信号，使5 s内的抖动不会对脉冲触发信号产生影响。

3.3 快门时滞检测

快门时滞检测与拍摄时滞检测方式相似，不同是的快门时滞检测需等待相机完成测光、对焦等一系列自动操作后，才借助压感触发器触发检测装置从第1个LED灯开始逐个闪亮。找出相机成像中第1个亮点的LED灯位置距离检测装置的第1个LED灯的个数，即有(−1)个LED灯由于拍摄时滞而没有在相机中成像，由3=(−1)/(s)获得快门时滞。

3.4 拍摄速度检测

设置数码相机时间参数检测装置扫描频率为500 Hz，即500个LED灯全部逐个闪亮需1 s。从相机拍摄的照片中挑取连续500个LED灯图像的照片，这些照片中未成像的LED灯个数即为相机拍摄速度。

4 检测图像模式识别

数码相机的相片信息以可交换图像文件格式（exchangeable image file format，EXIF）记录在对应的图像相片中，而成像的LED亮灯个数可通过图像模式识别获得[2]。本装置LED亮灯个数图像模式识别通过以下步骤完成：1）提取每个像素点的亮度信息，对图像进行灰度化处理（图像预处理）；2）利用Canny算子[3]进行边缘检测（特征提取）；3）识别各个LED灯亮灭状态，统计亮灯个数。

识别LED灯亮灯个数后，获取相片信息EXIF中相机快门速度设定值；通过频率显示单元获得扫描频率；由实际快门速度1=/与相机快门速度设定值自动比较，实现数据的自动测量。图3是某数码相机成像相片；图4为经本装置图像模式识别得到的自动测量结果。

图3 数码相机成像相片

5 结语

本文提出由频率信号单元、频率显示单元、位选信号单元、多位LED驱动显示单元、点亮信号单元和上位机控制系统组成的数码相机时间参数检测装置；装置应用Canny算子实现数码相机时间参数检测过程中LED灯亮灭状态模式识别，并统计亮灯个数；该装置进一步可以完成数码相机快门速度、拍摄时滞、快门时滞和拍摄速度等重要参数的测量。装置已于国家光电成像及显示产品监督检验中心成功得到应用，具有自动化程度高，实现简单，投入少的特点，是一种具有实用价值的测量装置。

[1] 国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 19894—2005数码照相机光电转换函数(OECFs)的测量方法[S].北京:中国标准出版社,2005.

[2] 梁佳楠,李丽丽,周磊.基于图像处理的位置坐标获取方法应用[J].自动化与信息工程,2018,39(3):22-25.

[3] 冯振新,许晓路,周东国,等.基于Canny算子的简化PCNN电力故障区域提取方法[J].红外技术,2019,41(7):634-639.

Development of Time Parameter Detection Device for Digital Camera

Tan Shan Huang Feng

(Guangzhou Institute of Measurement and Testing Technology)

Time parameter is an important parameter of digital camera. This paper introduces a method to realize the time parameter detection device of digital camera，automatic measurement by digital circuit and image recognition technology. The device is consists of frequency signal unit, frequency display unit, bit selection signal unit, multiple LED drive display unit, lighted signal unit and host computer control system. The device can detect shutter speed, shooting time delay, shutter lag and shooting speed. The device has been applied in the National Photoelectric Imaging and Display Product Supervision and Inspection Center.

Digital Camera; Time Parameter; Detection Device

谭山，男，1960年生，大学本科，高级工程师，主要研究方向：光电成像及显示产品检验。E-mail: 18922326626@189.cn